CN110829915B - 一种变励磁直升压开关磁阻发电机变流系统 - Google Patents

Abstract

一种变励磁直升压开关磁阻发电机变流系统，由六个开关管、十个二极管、七个电容器、直流隔离降压变压器、两个电感、耦合变压器组成，开关磁阻发电机的励磁和发电变流回路在无电感器件、开关管数量为两个公用开关管加每相绕组串联一个开关管的前提下，解决了直接高倍数升高输出发电电压的问题，同时严格根据转子位置信息发电结束时靠开关管直接关断相绕组电流，严格避免进入电动工况区降低性能和效率，而变励磁电压的变流回路中，解决了仅仅需要一个开关管就能实现连续变换励磁电压的问题，整个变流系统的结构简单、器件用量少、成本低，控制简易，可靠性高、利用率高、发电效率高；比较适合于各类动力驱动下高速开关磁阻发电机系统领域应用。

Description

一种变励磁直升压开关磁阻发电机变流系统

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机系统领域，具体涉及一种直接高升压、可变励磁电压的高利用率高效率和低成本的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法。

背景技术

开关磁阻发电机越来越受到业界重视，但是靠传统方式下开关磁阻发电机直接发出的电能往往不能满足用户端的需要，需要对发电电压进行抬升，为了减少专门的升压环节，以及降低成本并提高可靠性，在开关磁阻发电机工作的励磁和发电变流系统中，考虑直接抬升电压成为重要方式，当然，升压的重要指标是对电压抬升的倍数，以及尽量少的开关管和其他器件用量。

在开关磁阻发电机运行中，各相绕组工作时分别进入励磁阶段和发电阶段，并分别先后分时进行，根据定转子相对位置信息决定各阶段工作，否则将进入开关磁阻电动机运行模式区间，会降低发电效率和运行性能，在开关磁阻发电机变流系统业界，大多数的变流结构及运行控制中，对于发电阶段结束即要求该相绕组电流降至零时，往往采用的是依靠开关磁阻发电机数学模型下电感进入最小平行区时相绕组受高反向电压而电流自然快速下降的原理实现，难免因为实际中情况而进入反向转矩区即电动机工况区域，降低效率和性能。

本发明人在近年首次提出了连续变励磁电压的开关磁阻发电机系统概念(孙冠群等.基于功率变换器与励磁电压扰动法的SRG风电MPPT控制[J].电力系统自动化，2017，41(2)：101-107.)，在业界取得重要共识，励磁电压作为一个新变量被引入，极大的为开关磁阻发电机系统的发展提供了重要的新鲜血液，并兼顾解决了强化励磁的问题；当然，在简化结构和控制复杂度并降低成本的指标指引下，研发越少的开关管等器件用量以及简易的控制是实现变励磁电压变流系统的重要研究方向。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种开关磁阻发电机励磁和发电变流中无电感直接高倍数抬高电压、最少开关管变励磁电压的高效率高利用率低成本的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法，适用于各类动力驱动下的高速开关磁阻发电机系统领域应用。

本发明的技术方案为：

一种变励磁直升压开关磁阻发电机变流系统，其特征是，包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第五电容器、第六电容器、第七电容器、直流隔离降压变压器、第一电感、第二电感、耦合变压器，所述第一开关管阴极连接所述第一相绕组一端，所述第二开关管阴极连接所述第二相绕组一端，所述第三开关管阴极连接所述第三相绕组一端，第一相绕组另一端连接第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、所述第一二极管阳极、所述第五开关管阳极、所述第二电容器一端，第一二极管阴极连接所述第四开关管阳极、所述第一电容器一端、所述第二二极管阳极，第一电容器另一端连接第五开关管阴极、所述第三二极管阳极、所述第四二极管阴极，第二二极管阴极连接所述第三电容器一端、所述直流隔离降压变压器输入正极端，第二电容器另一端连接第四二极管阳极、第三电容器另一端、直流隔离降压变压器输入负极端，第四开关管阴极连接第三二极管阴极、所述第七电容器一端、所述第六电容器一端、所述第四电容器一端、所述第六开关管阴极、直流隔离降压变压器输出负极端，第一开关管阳极连接第二开关管阳极、第三开关管阳极、第七电容器另一端、所述第九二极管阴极、所述第十二极管阴极，直流隔离降压变压器输出正极端连接所述第一电感一端，第一电感另一端连接所述第五二极管阳极、所述第六二极管阳极，第五二极管阴极连接所述耦合变压器一次侧绕组一端、第四电容器另一端，第六二极管阴极连接耦合变压器一次侧绕组另一端和二次侧绕组一端、第六开关管阳极、所述第七二极管阳极、所述第五电容器一端，第七二极管阴极连接第六电容器另一端、所述第二电感一端，第五电容器另一端连接第九二极管阳极、所述第八二极管阴极，第八二极管阳极连接第二电感另一端，耦合变压器二次侧绕组另一端连接第十二极管阳极；

直流隔离降压变压器具备隔离和降压功能；第六开关管带有反并联二极管；第三电容器两端为发电输出端；第七电容器两端为励磁电源输出端。

一种变励磁直升压开关磁阻发电机变流系统的控制方法，其特征是，开关磁阻发电机运行中，根据转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，闭合第一开关管、第四开关管、第五开关管，进入励磁阶段；根据转子位置信息待励磁阶段结束时，断开第四开关管和第五开关管，进入发电阶段；根据转子位置信息待发电阶段结束时，断开第一开关管，第一相绕组工作结束；

根据转子位置信息当第二相绕组、第三相绕组需投入工作时，工作模式与第一相绕组相同，第二开关管、第三开关管对应第一开关管，其余器件公用；

开关磁阻发电机运行中，通过调节第六开关管的PWM占空比获得所需励磁电压。

本发明的技术效果主要有：

(1)由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管为核心组成的励磁和发电变流回路中，除第四开关管和第五开关管为公用开关管外，每相绕组各自仅仅需要一个开关管，开关管用量相对传统不对称半桥变流回路来的少，并且回路中依靠电容器直接抬升电压，不采用电感，电压提升的效果可达5-10倍左右，极大方便了输出侧的需求。

(2)在发电阶段结束时，本发明不是传统模式下自然结束发电阶段(相绕组电流自然降至零)，而是根据转子位置信息在即将进入反向转矩区(电动转矩区)前精确彻底关断相绕组电流(譬如，对于第一相绕组，关断第一开关管)，从而确保不进入电动转矩区，势必提高了系统性能和发电效率。

(3)在励磁电源方面，可变的励磁电压在开关磁阻发电机业界意义重大，本发明实现了，并且是仅仅依靠一个第六开关管为动作核心即可实现连续的励磁电压调节输出，为最少开关管型变励磁电压变流装置，简化了控制的复杂度，提高了可靠性，同时自然兼顾了强化励磁的需求。

(4)在变励磁电压变流回路中，考虑到第六开关管的重要性，当中的第五电容器、第六电容器、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第二电感的变流组合作用主要是针对第六开关管的开关吸收、降耗、提效上，从而也提高工作可靠性。

(5)另外，本发明的系统结构各个部分利用率都很高，不存在部分结构仅仅在偶尔的极端条件下才工作的情况，全员参与，具有较高的性价比。

附图说明

图1所示为本发明的一种变励磁直升压开关磁阻发电机变流系统电路结构图。

具体实施方式

本实施例的一种变励磁直升压开关磁阻发电机变流系统，变流系统电路结构如附图1所示，其由第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4、第五开关管V5、第六开关管V6、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9、第十二极管D10、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4、第五电容器C5、第六电容器C6、第七电容器C7、直流隔离降压变压器、第一电感L1、第二电感L2、耦合变压器T组成，第一开关管V1阴极连接第一相绕组M一端，第二开关管V2阴极连接第二相绕组N一端，第三开关管V3阴极连接第三相绕组P一端，第一相绕组M另一端连接第二相绕组N另一端、第三相绕组P另一端、第一二极管D1阳极、第五开关管V5阳极、第二电容器C2一端，第一二极管D1阴极连接第四开关管V4阳极、第一电容器C1一端、第二二极管D2阳极，第一电容器C1另一端连接第五开关管V5阴极、第三二极管D3阳极、第四二极管D4阴极，第二二极管D2阴极连接第三电容器C3一端、直流隔离降压变压器输入正极端，第二电容器C2另一端连接第四二极管D4阳极、第三电容器C3另一端、直流隔离降压变压器输入负极端，第四开关管V4阴极连接第三二极管D3阴极、第七电容器C7一端、第六电容器C6一端、第四电容器C4一端、第六开关管V6阴极、直流隔离降压变压器输出负极端，第一开关管V1阳极连接第二开关管V2阳极、第三开关管V3阳极、第七电容器C7另一端、第九二极管D9阴极、第十二极管D10阴极，直流隔离降压变压器输出正极端连接第一电感L1一端，第一电感L1另一端连接第五二极管D5阳极、第六二极管D6阳极，第五二极管D5阴极连接耦合变压器T一次侧绕组a一端、第四电容器C4另一端，第六二极管D6阴极连接耦合变压器T一次侧绕组a另一端和二次侧绕组b一端、第六开关管V6阳极、第七二极管D7阳极、第五电容器C5一端，第七二极管D7阴极连接第六电容器C6另一端、第二电感L2一端，第五电容器C5另一端连接第九二极管D9阳极、第八二极管D8阴极，第八二极管D8阳极连接第二电感L2另一端，耦合变压器T二次侧绕组b另一端连接第十二极管D10阳极；

直流隔离降压变压器具备电磁隔离和降压功能，降压幅度为30倍；第六开关管V6自带有反并联二极管；第三电容器C3两端为发电输出端，即发电电压端；第七电容器C7两端为励磁电源输出端，即励磁电压端；耦合变压器T的变比(b/a)为0.1；第五电容器C5和第六电容器C6的电容值相等。

本实施例的一种变励磁直升压开关磁阻发电机变流系统的控制方法为，在开关磁阻发电机运行中，根据转子位置信息，当第一相绕组M需投入工作时，同时闭合第一开关管V1、第四开关管V4、第五开关管V5，进入励磁阶段，此时，沿着回路C7(励磁电源)-V1-M-V5-C1-V4-C7，励磁电源与第一电容器C1一起向第一相绕组M供电励磁，同时，存在回路C2-V5-C1-D2-C3(发电输出端)-C2，即第一电容器C1和第二电容器C2串联后向第三电容器C3即向外输出电能；根据转子位置信息待励磁阶段结束时，断开第四开关管V4和第五开关管V5，第一开关管V1保持闭合状态，进入发电阶段，此时第一相绕组M和励磁电源串联一起经由第一开关管V1、第一二极管D1、第三二极管D3向第一电容器C1充电，同时也经由第一开关管V1、第三二极管D3、第四二极管D4向第二电容器C2充电，可见此时第一电容器C1和第二电容器C2的电压均等于励磁电压与第一相绕组M电压之和，比励磁电压大，再考虑到在励磁阶段时输出端发电电压为第一电容器C1和第二电容器C2电压之和，可见发电电压相对励磁电压大的多，具体与励磁和发电两个阶段时间比例有关；根据转子位置信息待发电阶段结束时，即进入开关磁阻发电机的反向转矩区(电动转矩区)前断开第一开关管V1，第一相绕组M工作结束；

根据转子位置信息当第二相绕组N、第三相绕组P需投入工作时，工作模式与第一相绕组M相同，除第二开关管V2、第三开关管V3对应第一开关管V1的差别外，其余器件公用。

开关磁阻发电机运行中，根据系统的需要，当需要改变励磁电压时，通过调节第六开关管V6的PWM占空比实现，变流过程中，耦合变压器T固定调节变比，第五电容器C5、第六电容器C6、第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9、第二电感L2主要用于对变励磁电压的唯一开关管第六开关管V6提供安全可靠的开关吸收保护作用。

考虑到本发明的结构中，各相绕组变流结构相对独立、各自相同，所以对于非三相绕组的开关磁阻发电机，本发明当然具有保护资格。

Claims (2)

1.一种变励磁直升压开关磁阻发电机变流系统，其特征是，包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第五电容器、第六电容器、第七电容器、直流隔离降压变压器、第一电感、第二电感、耦合变压器、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组，所述第一开关管阴极连接所述第一相绕组一端，所述第二开关管阴极连接所述第二相绕组一端，所述第三开关管阴极连接所述第三相绕组一端，第一相绕组另一端连接第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、所述第一二极管阳极、所述第五开关管阳极、所述第二电容器一端，第一二极管阴极连接所述第四开关管阳极、所述第一电容器一端、所述第二二极管阳极，第一电容器另一端连接第五开关管阴极、所述第三二极管阳极、所述第四二极管阴极，第二二极管阴极连接所述第三电容器一端、所述直流隔离降压变压器输入正极端，第二电容器另一端连接第四二极管阳极、第三电容器另一端、直流隔离降压变压器输入负极端，第四开关管阴极连接第三二极管阴极、所述第七电容器一端、所述第六电容器一端、所述第四电容器一端、所述第六开关管阴极、直流隔离降压变压器输出负极端，第一开关管阳极连接第二开关管阳极、第三开关管阳极、第七电容器另一端、所述第九二极管阴极、所述第十二极管阴极，直流隔离降压变压器输出正极端连接所述第一电感一端，第一电感另一端连接所述第五二极管阳极、所述第六二极管阳极，第五二极管阴极连接所述耦合变压器一次侧绕组一端、第四电容器另一端，第六二极管阴极连接耦合变压器一次侧绕组另一端和二次侧绕组一端、第六开关管阳极、所述第七二极管阳极、所述第五电容器一端，第七二极管阴极连接第六电容器另一端、所述第二电感一端，第五电容器另一端连接第九二极管阳极、所述第八二极管阴极，第八二极管阳极连接第二电感另一端，耦合变压器二次侧绕组另一端连接第十二极管阳极；

直流隔离降压变压器具备隔离和降压功能；第六开关管带有反并联二极管；第三电容器两端为发电输出端；第七电容器两端为励磁电源输出端。

2.根据权利要求1所述的一种变励磁直升压开关磁阻发电机变流系统的控制方法，其特征是，开关磁阻发电机运行中，根据转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，闭合第一开关管、第四开关管、第五开关管，进入励磁阶段；根据转子位置信息待励磁阶段结束时，断开第四开关管和第五开关管，进入发电阶段；根据转子位置信息待发电阶段结束时，断开第一开关管，第一相绕组工作结束；

根据转子位置信息当第二相绕组、第三相绕组需投入工作时，工作模式与第一相绕组相同，第二开关管、第三开关管对应第一开关管，其余器件公用；

开关磁阻发电机运行中，通过调节第六开关管的PWM占空比获得所需励磁电压。

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